一种多动力源混合动力系统及其能量管理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多动力源混合动力系统及其能量管理方法，系统包括：发动机、油箱、混合储能系统、机载电动机组、电动机螺旋桨、发动机螺旋桨、离合器、整流器、逆变器、电子调速器、荷电状态估计单元、发电/电动一体机和控制单元；本发明专利技术采用超级电容与蓄电池组进行连接组成混合储能系统，提高原有飞行器混合动力系统中蓄电池的使用寿命和动态供电性能；另外本发明专利技术对于蓄电池组、超级电容和发动机组成的多动力源混合动力系统提供了一种新型能量管理方法，不仅能够提高发动机的燃料利用效率和飞行器的续航里程，还能进一步的提高电池使用寿命和动态供电特性。

【技术实现步骤摘要】
一种多动力源混合动力系统及其能量管理方法
本专利技术属于航空飞行器
，具体指代一种多动力源混合动力系统及其能量管理方法。
技术介绍
近年来，随着科技发展进步，当今世界不得不面对两个严峻的问题，即不断上升的能源需求和严重的环境污染问题。而随着发动机和电机技术的发展以及节能减排的需求，目前油电混合动力技术已经成功的应用在汽车上，并且已经投入了市场。但是在航空领域融入混合动力技术还在起步阶段，如果将油电混合汽车上的油电混合的关键技术，在满足飞行环境和飞机设计的基本要求下，对已经成熟的油电混合进行改进，就可以对于广阔的航空领域技术产生强烈的冲击。对于日益枯竭的能源和污染严重的环境，混合动力飞机将极大的提高航空领域对环保事业的贡献。另外，随着目前无人机技术的发展对无人机的续航、隐蔽以及机动性等提出了要求，将混合动力技术应用在无人机上，借助其独特的多动力源混合模式，可以通过改变其飞行模式实现多种功能，进而满足现代军事及民事的各种飞行需求。目前的混合动力技术多是油动发动机和蓄电池的混合，但是由于蓄电池受电化学反应速率限制，功率密度低，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多动力源混合动力系统，其特征在于，包括：发动机、油箱、混合储能系统、机载电动机组、电动机螺旋桨、发动机螺旋桨、离合器、整流器、逆变器、电子调速器、荷电状态估计单元、发电/电动一体机和控制单元；/n所述油箱与发动机通过输油管路连接，用于给所述发动机供油；/n所述混合储能系统包括：超级电容和蓄电池组，二者采用并联的方式连接，混合储能系统的输入端与所述整流器的输出端电气相连，输出端与所述逆变器的输入端电气相连；/n所述离合器的输入端与所述发动机的输出端相连，输出端与所述发动机螺旋桨相连，用于中断发动机的动力；/n所述发电/电动一体机的输入端与所述发动机的输出端通过传动机构相连，输出端与所述整...

【技术特征摘要】
1.一种多动力源混合动力系统，其特征在于，包括：发动机、油箱、混合储能系统、机载电动机组、电动机螺旋桨、发动机螺旋桨、离合器、整流器、逆变器、电子调速器、荷电状态估计单元、发电/电动一体机和控制单元；
所述油箱与发动机通过输油管路连接，用于给所述发动机供油；
所述混合储能系统包括：超级电容和蓄电池组，二者采用并联的方式连接，混合储能系统的输入端与所述整流器的输出端电气相连，输出端与所述逆变器的输入端电气相连；
所述离合器的输入端与所述发动机的输出端相连，输出端与所述发动机螺旋桨相连，用于中断发动机的动力；
所述发电/电动一体机的输入端与所述发动机的输出端通过传动机构相连，输出端与所述整流器的输入端电气相连；
所述电子调速器的输入端与所述逆变器的输出端电气相连，输出端与所述机载电动机组电气相连；
所述机载电动机组的输出端与所述电动机螺旋桨相连；
所述SOC估计单元的输入端与所述蓄电池组电气相连，输出端与所述控制单元电气相连，用于估计蓄电池组的SOC，并将SOC信号传递给控制单元；
所述控制单元与所述发动机、离合器、发动/电动机、混合储能系统和电子调速器等电气相连，用于控制各部件保证飞行器的飞行。


2.根据权利要求1所述的多动力源混合动力系统，其特征在于，所述超级电容选用双电层超级电容。


3.根据权利要求1所述的多动力源混合动力系统，其特征在于，所述蓄电池组与超级电容组合成的混合储能系统的拓扑结构为通过功率变换器的并联结构，且蓄电池和超级电容均通过功率变换器连接至母线并通过DC/AC变换器输出。


4.根据权利要求1所述的多动力源混合动力系统，其特征在于，所述发动机根据飞行器载重等级和运行需求，选择活塞发动机或涡喷/涡扇发动机或涡桨/涡轴发动机。


5.一种多动力源混合动力系统的能量管理方法，基于权利要求1-4中任意一项所述系统，其特征在于，步骤如下：
(1)控制单元根据飞行器飞行工况、自身物理参数和状态参数，计算得到飞行器飞行需求的功率，同时对蓄电池组的SOC进行估计；
(2)根据步骤(1)得到的飞行器需求功率和蓄电池组的SOC信号，采用模糊控制策略对混合储能系统和发动机的输出功率进行分配；
(3)根据步骤(2)得到的混合储能系统所需输出的功率，将其与前一时刻的输出功率进行对比，控制单元根据前后两时刻的输出功率差，对超级电容和蓄电池组的输出功率进行分配。


6.根据权利要求5所述的多动力源混合动力系统的能量管理方法，其特征在于，所述步骤(1)中SOC估计方法采用Kalman滤波电流积分法，并在其中引入相关修正系数对累积误差进行纠正，具体步骤如下：
(1.1)飞行器启动时采用Kalman滤波法对初始蓄电池组的SOC进行估计得到初始荷电状态SOC0，估计时基于二阶RC电路模型，选取状态变量为电池的SOC、电容电压U1、U2，输入变量为端电流I，输出变量为端电压U，离散状态空间模型和观测模型分别为：



U(k)＝G(SOC(k))-U1(k)-U2(k)-R0I(k)+nm(k)
式中，C1、C2分别为二阶RC电路的极化容值，R1、R2分别为二阶RC电路的极化电阻值ΔT为采样时间，nm(k)为量测噪声，ρ为充放电效率，n1(k)n2(k)n3(k)为过程噪声，G(SOC(k))为拟合得到的OCV-SOC关系函数；
将蓄电池组初始状态参数带入上述离散状态空间模型和观测模型，经计算后得到SOC0；
(1.2)根据Kalman滤波法计算得到的SOC0，采用电流积分法对蓄电池组的SOC进行估计，具体估计公式为：



η＝Ksoc·Kt·Ko·ηc
式中，λ为放电倍率修正系数；C为放电倍率；η为实际库伦效率；ηc为理想情况下折算的库伦效率；Ksoc受SOC状态影响的修正系数；Kt为受温度影响的修正系数；Ko为受电池老化程度影响的修正系数；
(1.3)在飞行器运行过程中，选取一定的时间间隔T进行步骤(1.1)，重新得到蓄电池组的SOC准确值对蓄电池SOC估计过程进行修正。


7.根据权利要求5所述的多动力源混合动力系统的能量管理方法，其特征在于，所述步骤(2)中的混合储能系统和发动机的输出功率分配方法，具体步骤为：
(2.1)选择模糊控制器输入输出变量；
选取蓄电池组的SOC、飞行器需求功率Pneed和飞行器需求功率的误差Perror作为模糊控制的输入，发动机输出功率Pengine和混合储能系统的输出功率Pmix作为输出，建立一个3输入2输出的模糊控制器；Perror＝Pneed-Pactual为飞行器的需求功率与实际飞行器输出功率的差值；
(2.2)对输入输出变量进行模糊化；
选择常用的三角函数作为输入输出变量的隶属度函数，并将上述模糊控制器中的蓄电池组的SOC、飞行器需求功率Pneed和发动机输出功率Pengine的基本论域均量化到[0,1]之间，将飞行器需求功率的误差Perror和混合储能系统的输出功率Pmix的基本论域量化到[-1,1]之间，具体量化公式为：















根据量化后的输入输出，将飞行器的需求功率Pneed的基本论域划分为正小、正中和正大)3个模糊集合；将需求功率的功率误差信号Perror的基本论域划分为负大、零和正大3个模糊集合；将蓄电池组的SOC的基本论域划分为正小、正中和正大3个模糊集合；
对于模糊控制器的输出变量，将发动机输出功率Pengine的基本论域划分为正小、正中和正大3个模糊集合；将混合储能系统的输出功率Pmix的基本论域划分为负小、零、正小、正中和正大5个模糊集合；
(2.3)制定模糊控制规则；
根据无人机混合动力系统的特点，制定的模糊控制规则应该满足以下条件：
(a)能够实时跟踪飞行器的需求功率；
(b)当飞行器需求功率小于发动机的额定功率，且小于发动机最佳工作区间时，发动机停机或为蓄电池充电，飞行器所需功率由混合储能系统提供；
(c)当飞行器需求功率在发动机的最佳工作区间时，飞行器所需功率由发动机提供，保证发动机工...

【专利技术属性】
技术研发人员：张自宇，王春燕，赵万忠，宋迎东，吴刚，曹铭纯，孟琦康，朱耀鎏，于博洋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32